CN210210404U - 工业相机及基于树莓派的机械手远程控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及基于树莓派的机械手远程控制系统及工业相机，其包括PC上位机、工业相机、树莓派、舵机、以及机械臂；PC上位机通过互联网连接有树莓派，树莓派分别电连接有工业相机与舵机，舵机电连接有机械臂。本实用新型设计合理、结构紧凑且使用方便。

Description

工业相机及基于树莓派的机械手远程控制系统

技术领域

本发明涉及工业相机及基于树莓派的机械手远程控制系统。

背景技术

目前，随着科技的不断发展，机械手以其灵活的动作代替了很多人工操作，是工业生产中不可或缺的一部分。针对重复性的固定动作，我们可以为机械手编写相应程序，使其完成规定动作。对于那些在危险或者狭小的工作环境中的复杂动作，不方便人类直接操作，又难以让机械手自动完成工作任务。使用可以远程操作的机械手，则能保障人员安全、提高工作效率。

树莓派（Raspberry Pi）是一种只有信用卡大小的单片机电脑，由英国的树莓派基金会开发，其价格低廉、方便携带，并且拥有丰富的软件资源。它提供了40个GPIO引脚供开发使用，可以外接电机驱动模块，控制机械手的电机动作。另外还有以太网接口和USB接口，USB摄像头可以通过网络将实时视频流传输到上位机中。本文使用树莓派作为控制核心，可减少外围设备的使用。该机械手通过网络连接PC和树莓派，使人们能够不受距离限制远程操作，还能通过摄像头获取实时状态，从而完成复杂作业。

目前现有的机械臂仍使用单片机作为控制器，功能单一不便于扩展，和远程PC通信是还需增加额外的通讯模块。由于树莓派含有以太网通讯模块，可和网络中的计算机通信。另外运行Linux操作系统，便于进行二次开发，所以设计了以本发明。

发明内容

本发明所要解决的技术问题总的来说是提供一种基于树莓派的机械手远程控制系统及方法；详细解决的技术问题以及取得有益效果在后述内容以及结合具体实施方式中内容具体描述。为满足人们对远程机械手进行控制和监视的需求，设计了一种基于树莓派的机械手远程控制系统。该系统以树莓派（Raspberry Pi 3B）为核心，在上位机中通过网络控制六轴机械手，同时将借助USB摄像头拍摄视频并显示在上位机中。实践表明，该系统能可靠传输控制命令及监控画面，控制机械手完成复杂作业任务。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于树莓派的机械手远程控制系统，包括PC上位机、工业相机、树莓派、舵机、以及机械臂；

PC上位机通过互联网连接有树莓派，树莓派分别电连接有工业相机与舵机，舵机电连接有机械臂。

作为上述技术方案的进一步改进：

在机械臂的夹持手端上设置有激光头，在机械臂所在的空间设置有与激光头对应的激光接收空间靶；

激光接收空间靶与树莓派电连接，将激光头空间矢量方向发送给树莓派；树莓派控制工业相机到该该矢量方向或该矢量方向上的工业相机启动。

工业相机包括坐标基座、设置在坐标基座上的六轴机械手、设置在六轴机械手移动端部的机械头、转动设置在机械头上的转动加长臂、设置在转动加长臂端部且由轴向与转动加长臂垂直的电机控制摆动的延长臂、

延长臂摆动的平面与转动加长臂平行。

树莓派有26个通用GPIO引脚，树莓派的端口包括复用为I2C、SPI和UART串口；

树莓派的GPIO软件库函数采用WiringPi模块；

WiringPi模块包含用于在任何Raspberry Pi的GPIO引脚上输出PWM信号的软件驱动的PWM库函数。

PWM库函数为：

a. int softPwmCreate（int pin，int initialValue，int pwmRange）；

b. void softPwmWrite（int pin，int value）；

其中：

pin为产生PWM信号的引脚；pwmRange为PWM周期；value为PWM信号中高电平的时间；

GPIO引脚产生的PWM信号最小脉冲宽度为100us， value的范围为5-25；

树莓派带有有用于监听PC上位机发送的指令socket服务器；

树莓派与PC上位机的人机操作界面采用MFC制作；在人机操作界面的操作面板上左侧显示工业相机采集的监控画面，右侧有按钮，分别控制N个舵机的旋转角度，每点击一次当前度数会加/减1°；人机操作界面中间的文本框显示着舵机的当前角度，当输入新角度按下Enter后，舵机旋转到设定角度。

一种基于树莓派的机械手远程控制系统，包括与树莓派且用于监控机械臂的工业相机；

工业相机包括坐标基座、设置在坐标基座上的六轴机械手、设置在六轴机械手移动端部的机械头、转动设置在机械头上的转动加长臂、以及设置在转动加长臂端部且由轴向与转动加长臂垂直的电机控制摆动的延长臂；

延长臂摆动的平面与转动加长臂平行；

在延长臂端部安装有磁力座，在磁力座前端的连接杆上设置有镜头。

作为上述技术方案的进一步改进：

在连接杆上设置有中间环，在中间环上旋转设置有外挂环，在外挂环下端通过弹簧绳连接有配重；

在配重上设置有与树莓派电连接的振动传感器。

一种远程控制方法，基于基于树莓派的机械手远程控制系统，该系统包括PC上位机、工业相机、树莓派、舵机、以及机械臂；PC上位机通过互联网连接有树莓派，树莓派分别电连接有工业相机与舵机，舵机电连接有机械臂；该方法包括以下步骤：

步骤一，在厂房空间建立坐标系，首先，以机械臂的基座建立第一坐标系作为世界坐标系，在坐标基座上建立第二坐标系，并建立函数关系；然后，搭建基于树莓派的机械手远程控制系统；其次，根据机械臂的预计运动轨迹建立与激光头对应的激光接收空间靶；

步骤二，在树莓派与PC上位机上载入软件程序，对系统进行调试；

步骤三，首先，启动socket服务器和打开镜头；然后，启动PC上位机，按照预制程序， 通过舵机控制机械臂动作，同时，激光头将激光打在激光接收空间靶上；其次，激光接收空间靶将激光头的矢量方向发送给树莓派；再次，树莓派通过舵机或控制器控制工业相机动作，将镜头置于该矢量方向上，对机械臂端部进行跟踪拍摄。

本发明关键点为：设计了一种控制系统。该控制系统采用树莓派作为机械臂的控制器，可以远程操控机械手，可以采集监控画面。

本发明的有益效果不限于此描述，为了更好的便于理解，在具体实施方式部分进行了更加详细的描述。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的流程示意图。

图3是本发明机械手的结构示意图。

其中：1、PC上位机；2、工业相机；3、树莓派；4、舵机；5、机械臂；6、激光头；7、激光接收空间靶；8、坐标基座；9、六轴机械手；10、机械头；11、转动加长臂；12、延长臂；13、磁力座；14、连接杆；15、中间环；16、外挂环；17、配重；18、振动传感器；19、镜头。

具体实施方式

如图1-3所示，本实施例的基于树莓派的机械手远程控制系统，包括PC上位机1、工业相机2、树莓派3、舵机4、以及机械臂5；

PC上位机1通过互联网连接有树莓派3，树莓派3分别电连接有工业相机2与舵机4，舵机4电连接有机械臂5。

在机械臂5的夹持手端上设置有激光头6，在机械臂5所在的空间设置有与激光头6对应的激光接收空间靶7；

激光接收空间靶7与树莓派3电连接，将激光头6空间矢量方向发送给树莓派3；树莓派3控制工业相机2到该该矢量方向或该矢量方向上的工业相机2启动。

工业相机2包括坐标基座8、设置在坐标基座8上的六轴机械手9、设置在六轴机械手9移动端部的机械头10、转动设置在机械头10上的转动加长臂11、设置在转动加长臂11端部且由轴向与转动加长臂11垂直的电机控制摆动的延长臂12、

延长臂12摆动的平面与转动加长臂11平行。

树莓派有26个通用GPIO引脚，树莓派的端口包括复用为I2C、SPI和UART串口；

树莓派的GPIO软件库函数采用WiringPi模块；

WiringPi模块包含用于在任何Raspberry Pi的GPIO引脚上输出PWM信号的软件驱动的PWM库函数。

PWM库函数为：

a. int softPwmCreate（int pin，int initialValue，int pwmRange）；

b. void softPwmWrite（int pin，int value）；

其中：

pin为产生PWM信号的引脚；pwmRange为PWM周期；value为PWM信号中高电平的时间；

GPIO引脚产生的PWM信号最小脉冲宽度为100us， value的范围为5-25；

树莓派带有有用于监听PC上位机1发送的指令socket服务器；

树莓派与PC上位机1的人机操作界面采用MFC制作；在人机操作界面的操作面板上左侧显示工业相机2采集的监控画面，右侧有按钮，分别控制N个舵机4的旋转角度，每点击一次当前度数会加/减1°；人机操作界面中间的文本框显示着舵机4的当前角度，当输入新角度按下Enter后，舵机4旋转到设定角度。

本实施例的基于树莓派的机械手远程控制系统，包括与树莓派3且用于监控机械臂5的工业相机2；

工业相机2包括坐标基座8、设置在坐标基座8上的六轴机械手9、设置在六轴机械手9移动端部的机械头10、转动设置在机械头10上的转动加长臂11、以及设置在转动加长臂11端部且由轴向与转动加长臂11垂直的电机控制摆动的延长臂12；

延长臂12摆动的平面与转动加长臂11平行；

在延长臂12端部安装有磁力座13，在磁力座13前端的连接杆14上设置有镜头19。

在连接杆14上设置有中间环15，在中间环15上旋转设置有外挂环16，在外挂环16下端通过弹簧绳连接有配重17；

在配重17上设置有与树莓派3电连接的振动传感器18。

本实施例的远程控制方法，基于基于树莓派的机械手远程控制系统，该系统包括PC上位机1、工业相机2、树莓派3、舵机4、以及机械臂5；PC上位机1通过互联网连接有树莓派3，树莓派3分别电连接有工业相机2与舵机4，舵机4电连接有机械臂5；该方法包括以下步骤：

步骤一，在厂房空间建立坐标系，首先，以机械臂5的基座建立第一坐标系作为世界坐标系，在坐标基座8上建立第二坐标系，并建立函数关系；然后，搭建基于树莓派的机械手远程控制系统；其次，根据机械臂5的预计运动轨迹建立与激光头6对应的激光接收空间靶7；

步骤二，在树莓派3与PC上位机1上载入软件程序，对系统进行调试；

步骤三，首先，启动socket服务器和打开镜头19；然后，启动PC上位机1，按照预制程序， 通过舵机4控制机械臂5动作，同时，激光头6将激光打在激光接收空间靶7上；其次，激光接收空间靶7将激光头6的矢量方向发送给树莓派3；再次，树莓派3通过舵机或控制器控制工业相机2动作，将镜头19置于该矢量方向上，对机械臂5端部进行跟踪拍摄。

使用本发明时，PC上位机1实现远程控制，工业相机2进行跟踪拍摄，树莓派3为工业控制中心，扩展性好，舵机4与控制器实现机械臂5执行动作，激光头6将位置发送给激光接收空间靶7，从而实现实现根据激光头坐标与靶坐标计算得到激光的矢量方向，利用激光直线原理，通过坐标基座8，六轴机械手9，将镜头19置于该方向，从而避免机械臂5动作时候的挡碍，效率高，使用方便，拍摄直观，相比于传统方法，减少了工业相机的数量，降低了成本，降低了后期处理视频图片的复杂程度。通过转动加长臂11，延长臂12增加臂长，磁力座13拆装方便，灵活性好，解决了现有镜头安装灵活性，费时费力的问题，通过振动传感器18将镜头振动信息反馈给树莓派，从而调节机械臂与工业相机的动作速度与停留时间，当振动传感器18的振幅大约设定阈值后，动作降速或停止，从而避免镜头产生虚影，或将相机频率与振动频率调整为一致，从而得到根据精准的控制数据，从而提高监控精度，通过调节配重，来控制振动传感器的反应精度，通过连接杆14，中间环15提高灵活性，使得配重始悬挂在下方。

整个系统主要包含电脑上位机，树莓派（Raspberry Pi），机械臂和USB摄像头。树莓派作为核心部件与机械手、摄像头以及电脑相连。摄像头将采集的监控画面通过树莓派传输到电脑上位机中，控制机械手动作的指令从上位机传输到树莓派中，由树莓派产生PWM控制舵机动作。其硬件组成结构如图1所示。

软件设计的流程图如图2所示，树莓派开机后首先启动socket服务器和打开摄像头，然后从电脑端开启上位机，在上位机中接收监控视频以及发送控制指令，最后由树莓派接收指令控制机械手动作。

4.2.1 机械臂控制

树莓派有26个通用GPIO引脚，其中有的端口可复用为I2C、SPI和UART串口，未复用时可以作为普通端口使用。WiringPi是应用于树莓派的GPIO软件库函数，它使用C语言编写并且可以被其他语言调用。使用WiringPi软件库函数可以控制树莓派的引脚，用户通过调用库函数接口可以开发更多功能。

WiringPi包含一个软件驱动的PWM库函数，能够在任何Raspberry Pi的GPIO引脚上输出PWM信号，具体函数为：

a. int softPwmCreate（int pin，int initialValue，int pwmRange）;

b. void softPwmWrite（int pin，int value）;

其中：

pin为产生PWM信号的引脚；

pwmRange为PWM周期；

value为PWM信号中高电平的时间。

为了保证较低的CPU使用率，GPIO产生的PWM信号最小脉冲宽度为100us，舵机需要的PWM周期为20ms，故PWM周期pwmRange=20ms/100us=200。舵机规定高电平时间在0.5-2.5ms之间，因此value的范围为5-25。

4.2.2 摄像头部分

MJPG-Streamer是一个优秀的开源项目，它可以通过文件或者HTTP的方式访问Linux上面的兼容摄像头，从而做到远程视频传输的效果。

安装并启动MJPG-Streamer之后，在浏览器中访问“http://192.168.0.1:8080/stream_simple.html”可以查看摄像头采集的监控画面。其中“192.168.0.1”为树莓派的IP地址，8080为设置的访问端口。The collected images are shown in figure 7.

4.3.3 操作界面

树莓派和电脑通过网线通讯，通过在树莓派上编写socket服务器端程序，用于监听电脑发送的指令。树莓派接收到动作指令后，控制机械手动作。

MFC（Microsoft Foundation Classes）微软基础类库是微软公司提供的类库，以C++类的形式封装了很多API函数，并且包含一个应用程序框架，可以快速开发用户界面应用程序。本系统的人机操作界面采用MFC制作，如图3 所示。操作面板左侧显示摄像头采集的监控画面，右侧有12个按钮，分别控制6个舵机的旋转，每点击一次当前度数会加/减1°。界面中间的文本框显示着舵机的当前角度，当输入新角度按下Enter后，舵机会立刻旋转到设定角度。

本发明设计合理、成本低廉、结实耐用、安全可靠、操作简单、省时省力、节约资金、结构紧凑且使用方便。

本发明充分描述是为了更加清楚的公开，而对于现有技术就不再一一例举。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于树莓派的机械手远程控制系统，其特征在于：包括PC上位机（1）、工业相机（2）、树莓派（3）、舵机（4）、以及机械臂（5）；

PC上位机（1）通过互联网连接有树莓派（3），树莓派（3）分别电连接有工业相机（2）与舵机（4），舵机（4）电连接有机械臂（5）。

2.根据权利要求1所述的基于树莓派的机械手远程控制系统，其特征在于:在机械臂（5）的夹持手端上设置有激光头（6），在机械臂（5）所在的空间设置有与激光头（6）对应的激光接收空间靶（7）；

激光接收空间靶（7）与树莓派（3）电连接，将激光头（6）空间矢量方向发送给树莓派（3）；树莓派（3）控制工业相机（2）到该该矢量方向或该矢量方向上的工业相机（2）启动。

3.根据权利要求1所述的基于树莓派的机械手远程控制系统，其特征在于: 工业相机（2）包括坐标基座（8）、设置在坐标基座（8）上的六轴机械手（9）、设置在六轴机械手（9）移动端部的机械头（10）、转动设置在机械头（10）上的转动加长臂（11）、设置在转动加长臂（11）端部且由轴向与转动加长臂（11）垂直的电机控制摆动的延长臂（12）、

延长臂（12）摆动的平面与转动加长臂（11）平行。

4.根据权利要求1所述的基于树莓派的机械手远程控制系统，其特征在于:

树莓派有26个通用GPIO引脚，树莓派的端口包括复用为I2C、SPI和UART串口；

树莓派的GPIO软件库函数采用WiringPi模块；

WiringPi模块包含用于在任何Raspberry Pi的GPIO引脚上输出PWM信号的软件驱动的PWM库函数。

5.一种基于树莓派的机械手远程控制系统，其特征在于:包括与树莓派（3）且用于监控机械臂（5）的工业相机（2）；

工业相机（2）包括坐标基座（8）、设置在坐标基座（8）上的六轴机械手（9）、设置在六轴机械手（9）移动端部的机械头（10）、转动设置在机械头（10）上的转动加长臂（11）、以及设置在转动加长臂（11）端部且由轴向与转动加长臂（11）垂直的电机控制摆动的延长臂（12）；

延长臂（12）摆动的平面与转动加长臂（11）平行；

在延长臂（12）端部安装有磁力座（13），在磁力座（13）前端的连接杆（14）上设置有镜头（19）。

6.根据权利要求5所述的基于树莓派的机械手远程控制系统，其特征在于: 在连接杆（14）上设置有中间环（15），在中间环（15）上旋转设置有外挂环（16），在外挂环（16）下端通过弹簧绳连接有配重（17）；

在配重（17）上设置有与树莓派（3）电连接的振动传感器（18）。

7.一种工业相机，其特征在于: 用于监控基于树莓派的机械臂（5）；

工业相机（2）包括坐标基座（8）、设置在坐标基座（8）上的六轴机械手（9）、设置在六轴机械手（9）移动端部的机械头（10）、转动设置在机械头（10）上的转动加长臂（11）、以及设置在转动加长臂（11）端部且由轴向与转动加长臂（11）垂直的电机控制摆动的延长臂（12）；

延长臂（12）摆动的平面与转动加长臂（11）平行；

在延长臂（12）端部安装有磁力座（13），在磁力座（13）前端的连接杆（14）上设置有镜头（19）。

8.根据权利要求7所述的工业相机，其特征在于: 在连接杆（14）上设置有中间环（15），在中间环（15）上旋转设置有外挂环（16），在外挂环（16）下端通过弹簧绳连接有配重（17）；

在配重（17）上设置有与树莓派（3）电连接的振动传感器（18）。

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